Nano-BHKW auf Basis Joule Prozess und neuartiger rotating heatpipe, die intern Clausius Rankine Prozess abbildetClausius Rankine Prozess in einer rotating heat pipe mit Trennscheibe

Warum Blockheizkraftwerke (BHKW) sinnvoll sind:

1) Sehr effizient bezüglich Kohlendioxid Emissionen.

Details können hier eingesehen werden:

http://www.oeko.de/presse/pressemitteilungen/dok/526.php

2) Dezentrale Stromerzeugung in der Fläche und somit auch Entlastung des Stromnetzes

Zwecks Einsatz preiswerter Nano-BHKWs ist immer wieder der Einsatz von verschiedenen Technologien untersucht worden.

Man kann davon ausgehen, dass die aktuelle Kraftwerkstechnik vereinfacht werden muss,  um wirtschaftliche Lösungen für die Betreiber kleiner – Blockheizkraftwerke [1] zu bieten. Die “ Kompakte Dampf Turbine “ ( KDT), die ursprünglich an der Hochschule Darmstadt [2]. erfunden wurde, stellt eine einfaches integriertes Kraftwerk dar [3]. Im Wesentlichen ist die KDT eine  besondere Ausprägung eines rotierenden Wärmerohres (RHP, Rotating Heat Pipe) [6]. Die KDT besteht aus einem rotierenden Zylinder (ca. 300 mm Durchmesser und 350 mm Höhe) und einer statischen Achse –  dies ist eine Umkehrung der herkömmlichen Anordnung in einer Turbine. Der Zylinder ist durch eine Platte in eine Verdampfungs-und Kondensationskammer unterteilt. Diese Konstruktion ermöglicht  hohe Druckdifferenzen, so dass eine RHP als zentraler Teil eines kleinen Kraftwerks dienen kann. Die Platte ist an dem rotierenden Zylinders befestigt. Zwischen dem Rand der Platte und dem Zylinder besteht ein kleiner Spalt, so dass das kondensierte Arbeitsfluid (Wasser oder Organic Rankine Fluid) von der Kondensationskammer zur Verdampfungskammer gepumpt wird. Die Pumpleistung wird von dem rotierenden System aufgebracht und beträgt nur einen geringen Anteil der Arbeitsleistung [3]. Auf der rotierenden Platte können Lavaldüsen angebracht werden und nachfolgend eine Kombination aus Laufrad und Leitrad. Auch kann ein Reibungsturbinen Ansatz als Vortriebssystem gewählt werden [4].

Durch die Wahl der richtigen Menge an Arbeitsflüssigkeit in Kombination mit der geeigneten Drehzahl muss der Spalts immer von Flüssigkeit bedeckt sein. Die Arbeitsflüssigkeit dient daher als Dichtung zwischen Verdampfungs-und Kondensationskammer.
Das Ziel ist es, ein Mikro BHKW mit einer Gesamteffizienz von mehr als 10% zu bauen. Mit  ORC Flüssigkeiten ist dies möglich, wie Studien gezeigt haben [4,5].  Nachteil der ORC-Fluide ist ihre Brennbarkeit.

Deswegen wird jetzt ein Ansatz eines sehr kleinen Gas-und Dampfkraftwerks mit einer thermischen Leistung von 20-50kW untersucht. Dies erfordert, dass eine sehr kleine Gasturbine eingesetzt wird. In dieser Studie wurden die Verdichterkennlinien und Turbinenkennlinien eines der weltweit kleinsten Turboladers ausgewertet [7]. Besonders interessant erscheint ein helixförmiger Rohrwärmetauscher der mit der KDT rotiert und von heißen Abgasen der Gasturbine durchströmt wird. Dieses  helixförmig Rohr sorgt auch für eine pneumatische Kopplung der heißen Abgase der Gasturbine mit der relativ langsam drehenden KDT (ca. 9000 U/min), die an direkt an einen E-Generator angebunden wird.
Die kleine Gasturbine und die KDT sind  im Wesentlichen ein voll integriertes Gas- und Dampfkraftwerk mit zahlreichen Vorteilen: Sehr wenige Teile,  so dass ein neuartiges Micro BHKW zu  wettbewerbsfähigen Bedingungen und niedrigen Wartungskosten realisiert werden kann.
Das Ziel ist es, ein kleines robustes integriertes preiswerten Blockheizkraftwerks als zentrale Komponente von Heizungsanlagen mit hoher Stückzahl zu bauen, das den Markt der Heizungen erneuert. Neben konventionellen Kraftstoffen wie Öl und Gas kann auch Wasserstoff, Bioöl bzw. Biogas eingesetzt werden.

Referenzen:
[1] Dong et.al , „Entwicklung von Klein-und Mikro- Maßstab Biomasse- KWK-Anlagen “ , Appl. Thermal. Eng , 29, pp 2119 – . 2126 (2009).
[2] Heddrich et al. , Patent DE10315746 , 16.9. 2004 Deutsches Patent-und Markenamt , www.dpma.de

[3] Kley, Kretschmer, Leschber, Rieger, “THE COMPACT STEAM TURBINE –A NOVEL APPROACH TO SMALL SCALE COMBINED HEAT AND POWER GENERATION“, Frontiers in Heat Pipes (FHP), 4, 023004 (2013), DOI: 10.5098/fhp.v4.2.3004

[4] Belozerov, A., Kley, M., Leschber, Y., Rieger, R., Shatalov, I., Wiedmann, M., A new integrated power plant with a small-scale turbine for the Organic Rankine Cycle, RUDN Bulletin 2012 No3, pp. 104-113.
[5] Mikielewicz, J., Piwowarski, M., Kosowski, K., Design analysis of turbines for co-generating micro-power plant working according to dance with organic Rankine’s cycle, Polish Maritime Research Special issue 2009/S1; pp. 34-38, 2009. DOI:10.2478/v10012-008-0042-4

[6] Nguyen, T., Mochizuki, M., Mashiko, M., Sauciuc, I., Akbarzadeh, A.,  Johnson, P., Kusaba, S., Suzuki, H., HEAT PIPE TURBINE FOR PRODUCTION OF ELECTRICAL POWER FROM RENEWABLE SOURCES, Proceedings of 5th ASME/JSME Joint Thermal Engineering Conference, March 15-19, 1999, San Diego, California

[7] von Rüden, Dissertation, Berlin

 

Ein Übersichtsvortrag ist im folgenden pdf einsehbar.

https://dhbc.de/wp-content/uploads/2020/08/kdt_ebmpapst_übersicht21092017-1.pdf